Nitrogen and Oxygen Heterocyclic compounds: design, synthesis and structural elucidation with Spectroscopic Methods and Crystallographic Analysis

269 σ.
Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί κατά πρώτο λόγο ο σχεδιασμός, η σύνθεση και η μελέτη της δομής ετεροκυκλικών ενώσεων του αζώτου και του οξυγόνου. Η χημεία των ετεροκυκλικών ενώσεων σχετίζεται με τη χημεία φυσικών προϊόντων. Η απομόνωση χημικών ενώσεων από φυσικές πηγές είναι τόσο παλιά όσο η ανθρωπότητα και τα φυσικά προϊόντα αποτελούν μία πλούσια πηγή ετεροκυκλικών παραγώγων. Τα μόρια αυτά εξ ορισμού επιδεικνύουν ένα εύρος βιολογικών δράσεων. Σε αναλύσεις βιολογικών ιδιοτήτων, πολύ συχνά παρέχουν στους ερευνητές μία δομή “οδηγό” για ανάπτυξη πλήθους καθαρά συνθετικών προϊόντων και μελέτες συσχετισμού δομής δραστικότητας. Το γεγονός αυτό, μας παρακίνησε στο σχεδιασμό ενώσεων και συνθετικών μεθοδολογιών με σκοπό να αποκτήσουμε πρόσβαση σε νέες ή γνωστές δομές ετεροκυκλικών παραγώγων. Ένα μεγάλο τμήμα της έρευνας που βρίσκεται πίσω από την παρούσα διδακτορική διατριβή είναι αφιερωμένο στα τετραμικά οξέα. Οι ενώσεις αυτές, πενταμελείς ετεροκυκλικές με ένα άτομο αζώτου στο δακτύλιο, βρίσκονται στο επίκεντρο των ερευνών τα τελευταία χρόνια. Πολλά σημαντικά φυσικά προϊόντα, όπως το τενουαζονικό οξύ (tenuazonic acid) είναι γνωστά για τις σημαντικές βιολογικές ιδιότητές τους. Αρχικά μελετήθηκαν τα τετραμικά οξέα που φέρουν πολική, και συγκεκριμένα υδροξυάλκυλο ή υδροξυβένζυλο ομάδα στη θέση 5 του δακτυλίου. Μέχρι στιγμής, οι αναφορές στη βιβλιογραφία για αυτά τα παράγωγα είναι πολύ περιορισμένες. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε, βασίστηκε στη C-ακυλίωση μεταξύ ενός α-αμινοξέος και της κατάλληλης ένωσης ενεργού μεθυλενίου. Το προκύπτον ενδιάμεσο παράγωγο, το οποίο είναι και το ίδιο πολύ αξιόλογο, κυκλοποιείται εύκολα με βασικές συνθήκες προς το αντίστοιχο τετραμικό οξύ. Το σημείο κλειδί αυτής της σύνθεσης ήταν η προστασία της υδροξυλομάδας με τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορούμε να χειριστούμε τις ενδιάμεσες ενώσεις. Στη συνέχεια, περιγράφεται η σύνθεση 5-βενζυλιδενοτετραμικών οξέων που φέρουν μία ακέτυλο ομάδα στο άζωτο του δακτυλίου. Τα παράγωγα αυτά είναι ιδιαίτερα σημαντικά δεδομένου ότι είναι άγνωστα στη βιβλιογραφία, αλλά και ότι τα φυσικά προϊόντα της κατηγορίας ομοιάζουν με αυτά τα μόρια. Κύριο χαρακτηριστικό της μεθόδου αποτελεί η χρήση αζλακτονών που προέρχονται από τη γλυκίνη ως ακυλιωτικά μέσα. Τα παράγωγα αυτά παρέχουν ταυτόχρονη ενεργοποίηση και προστασία των κατάλληλων ομάδων με αποτέλεσμα να καταλήγουμε στις ενώσεις στόχους χωρίς παραπροϊόντα, με υψηλές αποδόσεις και παράλληλα σε λιγότερα στάδια. Οι ενώσεις αυτές, ως νέες, μελετήθηκαν πιο εκτεταμένα. Μελετήθηκαν εκτενώς φασματοσκοπικά και η δομή τους προσδιορίστηκε μέσω κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ. Ακόμη, παρασκευάστηκαν σύμπλοκά τους με μέταλλα, τα οποία επίσης μελετήθηκαν κρυσταλλογραφικά. Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά και στο άμεσο μέλλον, σκοπεύουμε να μελετήσουμε τις φαρμακολογικές τους δράσεις, καθώς είναι υποσχόμενα αντικαρκινικά και αντιβιοτικά. Αντικείμενο μελέτης στα επόμενα κεφάλαια αποτελούν οι αμινοφουρανόνες και τα τετρονικά οξέα, πενταμελείς ετεροκυκλικές ενώσεις του οξυγόνου, τα οποία παρασκευάζονται σε στερεά φάση. Ως προς τη χημεία, η μέθοδος ακολουθεί τα βασικά στοιχεία των προηγουμένων, δηλαδή βασίζεται στη C-ακυλίωση μεταξύ α-υδροξυοξέων και των κατάλληλων ενώσεων ενεργού μεθυλενίου. Ωστόσο, η πρωτοπορία της μεθόδου είναι πως η σύνθεση έγινε σε στερεά φάση, δεδομένων των πλεονεκτημάτων αυτής. Τέλος, καθώς οι ενώσεις στόχοι που παρασκευάζονται είναι πιθανά φαρμακολογικά και βιολογικά δραστικές, επιδιώξαμε να σχεδιάσουμε προσεκτικά μία γκάμα παραγώγων με πιθανή αντικαρκινική δράση, να τα συνθέσουμε και στη συνέχεια να μελετήσουμε τις αντικαρκινικές τους ιδιότητες. Τα αποτελέσματα που αναφέρονται αναλυτικά στα αντίστοιχα κεφάλαια είναι ενθαρρυντικά, τουλάχιστον στο επίπεδο σχεδιασμού ενώσεων-οδηγών. Οι ενώσεις αυτές, επίσης μελετήθηκαν κρυσταλλογραφικά, καθώς η διαμόρφωση των μορίων στο χώρο μας δίνει σημαντικές πληροφορίες, ως προς τη χημεία και της βιολογικές τους ιδιότητες. Παρόλα αυτά, όσο σημαντική κι αν είναι η σύνθεση (κέντρο της χημείας κατά τον M. Berthelot), σύνθεση χωρίς ανάλυση και ενδελεχή χαρακτηρισμό των προϊόντων είναι άγονη: τα μόρια που συντίθενται είναι “αντικείμενα” προς περαιτέρω μελέτες. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται διεξοδική μελέτη των δομών των παραγώγων που παρασκευάστηκαν. Τα μέσα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η φασματοσκοπία μίας και δύο διαστάσεων 1H και 13C NMR, IR, UV, κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, καθώς και EPR για τα σύμπλοκα.
The object of this PhD Thesis is the design and synthesis, as well as the structural elucidation of nitrogen and oxygen heterocycles. The chemistry of heterocyclic compounds is closely related to the natural products chemistry. The isolation of substances from natural sources is as old as mankind and the natural products consitute a rich source of heterocyclic derivatives. These products by definition demonstrate a wide range of biological activities. In biological tests, they provide very often the researchers a lead structure for development of a lot of purely synthetic products and structure-activity relationship studies. This fact urged us to design compounds and synthetic methodologies in order to obtain access in new or known structures of heterocycles. A large part of the research behind this PhD Thesis was devoted to the tetramic acid derivatives. These compounds, five membered nitrogen heterocycles are in the current research interest. Many important natural products, such as tenuazonic acid are well known for their interesting biological activities. At first, tetramic acids bearing a polar and more particular hydroxyalkyl or hydroxybenzyl group at position 5 of the ring were studied. Until now, the references for these compounds are very limited. The developed method is based in the C-acylation reaction between an α-aminoacid and the appropriate active methylene compound. The intermediate derivative can be cyclized easily with basic conditions to afford the corresponding tetramic acid. The key point of this synthetic protocol is the protection of the hydroxyl group in such way that we are able to handle the intermediate compounds. Then, the synthesis of 5-benzylidene tetramic acids possessing an acetyl group on ring-nitrogen is described. These derivatives are very important since they are unknown in literature and, moreover, the natural products of this class resemble these molecules. The basic feature of the method is the usage of azlactones from N-acetylglycine as acylating media. These derivatives offer the simultaneous activation and protection of the appropriate groups. The result is the synthesis of the target molecules without byproducts, with high yields in fewer steps. These compounds, as novel ones, were studied more deeply. They were studied spectroscopically and their structure was determined by X-ray crystallography. In addition, metal complexes of these ligands were synthesized and studied. The results are promising and in the near future we are intending to study their pharmaceutical activities as they are potential anticancer and antibiotic agents. In the next chapter, the solid phase synthesis of aminofuranones and tetronic acids, five membered oxygen heterocycles, is presented. Concerning chemistry, this method shares the basic elements of the previous. That means, it is based on the C-acylation reaction between α-hydroxyacids and the appropriate active methylene compounds. However, the novelty of this methodology is that the synthesis is carried in solid phase, known the advantages. Finally, since the prepared target molecules are potential pharmaceuticals, we aimed at designing carefully a compound library with potential anticancer activities, synthesizing them and, then, studying their antitumor abilities. The results were successful at least at the level of lead compounds design. These derivatives were studied crystallographically as well, as the conformation of the molecules gives us important information at the synthetic and biological level. On the other hand, synthesis (centre of chemistry, according to M. Berthelot) without analysis and identification of the products is fruitless; they are “objects” for further studies. In this context, we studied thoroughly the structures of the synthesized compounds, by means of 1D and 2D 1H and 13C NMR, IR and UV spectroscopy, X-ray crystallography analysis and EPR analysis for the metal complexes.